Appareillage pour l'étude expérimentale de l'ionisation par choc et de la lumière de recombinaison associée dans les semiconducteurs

HAL Id: jpa-00242760

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00242760

Submitted on 1 Jan 1967

HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

Appareillage pour l’étude expérimentale de l’ionisation par choc et de la lumière de recombinaison associée dans

les semiconducteurs

René Granger

To cite this version:

René Granger. Appareillage pour l’étude expérimentale de l’ionisation par choc et de la lumière de

recombinaison associée dans les semiconducteurs. Revue de Physique Appliquée, Société française de

physique / EDP, 1967, 2 (1), pp.23-28. �10.1051/rphysap:019670020102300�. �jpa-00242760�

23.

APPAREILLAGE POUR L’ÉTUDE EXPÉRIMENTALE

DE L’IONISATION PAR CHOC ET DE LA LUMIÈRE DE RECOMBINAISON

ASSOCIÉE DANS LES SEMICONDUCTEURS

Par RENÉ GRANGER,

Laboratoire de Magnétisme ^{et de} Physique ^du Solide, C.N.R.S., 92-Bellevue.

Résumé. 2014 Nous décrivons l’appareillage expérimental ^{destiné au relevé de la carac-} téristique électrique des semiconducteurs jusqu’à l’ionisation intrinsèque ^{et à} l’étude du

rayonnement ^de recombinaison du plasma ^hors d’équilibre.

Abstract.

We describe the experimental ^set up ^{used to} record the electrical character- istics of semiconductors up ^{to intrinsic} breakdown and to study ^the recombination radiation of the plasma ^{out of} equilibrium.

REVUE DE PHYSIQUE APPLIQUÉE ^TOME 2, ^MARS 1967,

1. Introduction. Objectifs de l’étude expérimentale.

-

Les phénomènes de conduction dans les semi-

conducteurs, ^aux champs électriques faibles, ^{sont dus} (dans ^{le cas d’un} matériau de type n) ^au gaz d’élec-

trons de la bande de conduction, qui possède ^une

distribution maxwellienne à la température To ^du

réseau (loi d’Ohm). Cependant, la relation linéaire

entre la densité de courant J ^{et le} champ électrique E

n’est plus ^suivie pour des valeurs élevées de ce dernier;

dans certains matériaux, ^un phénomène de croissance très brutale de J (appelé claquage ^ou avalanche) apparaît au-delà d’un seuil E~ ^de champ électrique.

Cette croissance anormale de J, ^{mise en évidence}

pour la première fois dans InSb à 77 OK [1], s’explique

par l’augmentation du nombre de porteurs ^de charge.

En effet, ^{dans un} champ intense, ^une partie ^{de la}

distribution des porteurs majoritaires possède ^une énergie suffisante _pour transférer, par choc, ^{des élec-}

trons de la bande de valence dans la bande de conduc- tion. Nous avons montré [2] qu’il ^était possible ^d’ana- lyser ^ce phénomène d’avalanche en séparant ^{les élec-}

trons de la bande de conduction en deux parties : ^les

électrons de faible énergie, ayant ^une distribution maxwellienne avec une température électronique ^voi-

sine de To, ^{et un} petit ^nombre d’électrons, appelés balistiques, accélérés dans la direction de E. Ces derniers peuvent acquérir ^une énergie suffisante _pour induire l’ionisation d’un électron de valence.

Le but de notre étude expérimentale ^est de vérifier que le modèle d’ionisation par choc proposé [2] per- met une bonne description macroscopique ^du phéno-

mène. Nous nous sommes attaché, ^d’une part ^à déterminer le seuil d’avalanche et sa variation en

fonction des paramètres principaux ^tels que la tempé-

rature ou la concentration en porteurs, ^{et d’autre} part

à étudier le rayonnement de recombinaison des _por-

teurs hors d’équilibre qui ^{doit être associé à} l’ionisation par choc mais n’a fait l’objet ^d’aucune étude appro- fondie (ce rayonnement ^{a été} signalé ^{dans le cas}

de InSb [3]).

2. Description ^de l’appareillage.

2.1. LIAISON

ÉLECTRIQUE ^DU GÉNÉRATEUR D’IMPULSIONS ^A L’ÉCHAN-

TILLON.

Nous ne reviendrons sur la description ^du générateur d’impulsions [4] que pour le situer dans

notre montage. ^{Il est} constitué d’une commande de déclenchement (appelée ^{C.D. sur} lafig. 5) ^délivrant

une impulsion ^{à front raide} ( ²⁰ ns), ^{de durée 1 ms}

et de fréquence ^de répétition ^{50 à} 0,05 Hz, ^{et du} générateur G.I. dont les impulsions de durée variable

entre 50 ^{ns et} 2 ~ts ^{ont une} puissante ^{crête allant} jusqu’à 1,5 ^{MW sur une} impédance de sortie de 10 Q.

Les échantillons ayant généralement ^{une résistance}

inférieure à 10 Q, ^un transformateur d’impulsion ^de grande puissance ^nous permet d’adapter ^au générateur

une impédance ^{de 1} Q. L’échantillon est préparé ^de façon ^{à avoir cette} impédance. Les liaisons électriques

entre points ^{à la} température ^{ambiante sont effectuées}

par des strip-lines. ^{Il est en} effet aisé de réaliser, par attaque chimique ^de structures « sandwich » cuivre-

mylar-cuivre, ^des lignes ^{à basse} impédance : par

exemple, ^{à une} épaisseur ^de mylar ^de 0,12 ^{mm et une} largeur de la bande de cuivre de 26 _mm, correspond

une impédance caractéristique ^{de 1} SZ, la tension de

claquage étant de 30 kV avec une garde ^isolante

suffisante.

La nécessité de plonger l’échantillon dans le liquide

de refroidissement (azote, hydrogène ^{ou hélium} liquide) ^{nous a conduit à} l’élaboration d’une ligne ^de

transport ^de l’énergie électrique ^{à faibles} pertes ^ther-

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/rphysap:019670020102300

24

miques ^et gardant l’impédance caractéristique ^{de 1 Su.}

Cette ligne ^est constituée ( fig. 1) d’un tube central en

acier inox de 10 mm de diamètre extérieur ^et 0,5 ^mm d’épaisseur, ^sur lequel ^{est enfilé un} tube de téflon aminci à une épaisseur ^{de 0,15 mm. Le conducteur}

extérieur peut ^{être un} clinquant de cuivre de 20 _ym

d’épaisseur, ^{enroulé autour du téflon et} soudé. Consti- tuée de cette manière, ^{la canne} présente ^une impé-

dance thermique trop ^faible pour permettre ^de longues expériences ^{à la} température de l’hélium liquide. ^Le remplacement ^du clinquant par ^{une tresse} constituée de trente fils de cuivre de 50 ym de diamètre augmente considérablement la résistance thermique ^{tout en} gar- dant de bonnes caractéristiques électriques (la partie

réactive de l’impédance caractéristique ^{reste inférieure}

au vingtième ^{de la} partie ^réelle dans la gamme des

fréquences utilisées).

2.2. MONTAGE DE L’ÉCHANTILLON. MESURE DES VARIABLES ÉLECTRIQUES.

^La figure ^{2 montre diffé-}

rents montages des échantillons. Le montage ^sur

plaquette ^de molybdène ^{a été} rapidement ^abandonné

à cause des claquages électriques ^entre l’échantillon

et le métal du support. ^Les meilleurs résultats sont

obtenus en soudant l’échantillon sur un « circuit

imprimé » constitué d’une plaquette d’oxyde ^de béryllium ^{ou d’alumine sur} laquelle des aires de

contact en argent ^{ont été} déposées; l’échantillon est

alors refroidi _par le bain réfrigérant qui ^{est un excel-}

lent diélectrique. ^{Les deux contacts} d’injection ^d’éner-

W G. 2.

gie électrique ^{sont reliés} par de courts fils de cuivre ^au bas de la canne d’impédance ^{1 Q et les} points ^de

mesure de tension à des fils de 50 _[1.m de diamètre

tendus entre le bas de la canne et des prises ^{fixées sur}

25

la platine supérieure ^{du cryostat à la} température

ambiante ( fig. 3).

Les lignes constituées _par ces fils de cuivre et le conducteur extérieur de la canne de 1 ~ ont une

impédance caractéristique ^{de 400 Q, elles sont} adap-

tées par ^une résistance de même valeur sur la platine

au sommet du cryostat. Des diviseurs de tension à

large ^{bande de} rapport 1000~1 ^ramènent les tensions à des valeurs admissibles _par les entrées d’oscilloscopes

et la mesure du courant se fait par celle de la tension

aux bornes de la résistance R.C. de 0,001 Q (fig. 3).

2.3. MONTAGE OPTIQUE ^POUR L’ÉTUDE SPECTRALE DU RAYONNEMENT DE RECOMBINAISON.

Un disque ^de

silicium est scellé _par un joint ^{d’indium sur le fond}

W G. 4.

’

de l’enceinte à hélium ( fig. 1) ^{et constitue une fenêtre}

transmettant à peu près ⁵⁰ % ^{de la} lumière dans l’infra- rouge proche qui ^est le domaine de longueurs ^d’onde correspondant ^aux lumières de recombinaison de InAs et InSb. Le faisceau émis _par l’échantillon est dévié _par

les miroirs Mi ^et M2 ( fig. 4), puis ^{focalisé sur la fente}

d’entrée d’un monochromateur par le miroir M.. ^Nous

avons choisi un monochromateur Jarrell-Ash ^{de 1 m}

de focale pour ^sa grande luminosité. La fente d’entrée,

étroite sur l’appareil original, ^{a été} remplacée par ^une fente plus large. ^{A la} sortie, ^la focalisation se fait sur la cellule détectrice. Différents détecteurs sont utilisés,

couvrant le domaine spectral ^{de 2 à 9} microns. Pour l’étude dynamique ^de l’émission, ^{un détecteur} rapide

est nécessaire, ^nous utilisons alors l’effet photovoltaïque

d’une jonction ^de faible surface d’antimoniure d’in- dium à 77 ~K, ^{dont le} temps ^{de montée est inférieur} à 50 ns; dans les autres cas, des jonctions ^{du même}

type ^d’aire plus grande ^{ou des} photoconducteurs ^au germanium dopé ^à l’or fonctionnant à 77 OK sont

suffisants. La cellule détectrice peut ^{être utilisée sans} le monochromateur, ^{mais avec le} système de focalisa- tion à grande ouverture, pour étudier le rayonnement de recombinaison global.

2.4. ÉLECTRONIQUE D’AMPLIFICATION ET D’ENREGIS-

TREMENT SPECTRAL DE LA LUMIÈRE DE RECOMBINAISON.

-

Le choix d’une période ^de répétition longue (de ¹

à 4 s), afin d’éliminer les phénomènes parasites ^{dus à}

l’élévation de la température ^de l’échantillon, ^exclut l’usage ^d’un enregistreur classique; ^{la faible} amplitude

des impulsions lumineuses détectées nécessite d’autre part ^une amplification soignée ^et l’élimination la plus complète possible ^{du bruit. Le} signal ^{utile a une durée}

de l’ordre de la microseconde, ^alors que le bruit est

présent ^{durant toute la} période ^de répétition, ^c’est-à-

dire pendant ^un temps ^{106 fois} plus long. ^{Ceci montre}

l’intérêt de bloquer ^le système d’amplification pendant

tout le temps ^{où les} signaux ^{de bruit} s’accumulent dans le

système d’enregistrement. ^Le blocage ^de l’amplification

est réalisé dans un amplificateur ^à portes ^A.P. ( fig. 5) ;

26

ce dernier est précédé ^d’un amplificateur ^{à très faible}

bruit adapté à la cellule détectrice.

Les caractéristiques principales ^de l’amplificateur ^à

portes ^{sont :}

-

commandes d’ouverture et fermeture sur deux voies séparées ^{« 0 » et «} F », par des impulsions ^à

faible niveau de durée minimum 20 _ns;

-

temps d’ouverture et fermeture 20 _ns;

-

largeur ^{de bande en} amplification : ³⁰ Mc/s

pour ^un gain ^{de 100.}

La figure ^{6 donne un} organigramme temporel ^du

fonctionnement du système : ^{le front de} l’impulsion

délivrée _par C.D. commande le déclenchement du

générateur d’impulsions G.D.; ^{celui-ci envoie une} première impulsion (commande 0, fig. 6) d’ouverture

de l’amplificateur ^à portes précédant l’impulsion ^dans

l’échantillon de 50 ns (le ^{retard de} l’impulsion ^dans

l’échantillon est dû principalement ^{au câble 10} SZ) ^et

une deuxième impulsion (commande F, fig. 6), ^de

même forme que la première, mais retardée du temps désiré. Les deux derniers diagrammes ^{de la} figure ⁶

en E et S montrent l’action des portes; ^{le bruit en}

amplificateur bloqué ^{est 100 fois} plus ^faible qu’en

porte ^{ouverte. Le} signal ainsi obtenu est envoyé ^sur

l’amplificateur ^{vertical d’un} oscilloscope ^{dont la}

brillance du spot ^{est commandée} par le bruit de la chaîne amplificatrice porte ^ouverte. L’impulsion

lumineuse apparaît ^{sur l’écran comme un trait vertical}

dont la base (correspondant ^au bruit) ^{est d’autant} plus épaisse ^{que la durée} d’ouverture est longue. L’ampli-

ficateur horizontal de l’oscilloscope ^est commandé par

une tension lentement variable correspondant ^au

déroulement en longueurs d’onde du monochroma-

teur. Une pellicule ^sensible (10 ⁰⁰⁰ A.S.A.) enregistre

toutes les impulsions apparues ^sur l’écran, ^le spectre

est l’enveloppe supérieure de l’ensemble des impulsions.

La figure ⁷ représente ^un enregistrement typique ^du

spectre obtenu pour InSb à 77 OK.

~IG. 7.

3. Possibilités d’emploi de~l’appa~eillage.

^L’en-

semble _que nous venons de décrire a permis ^{une étude}

détaillée du phénomène d’avalanche quand ^{un état} d’équilibre ^{est atteint. Ceci} implique que les temps d’étude sont supérieurs ^{aux durées des} régimes ^transi-

toires dus au remplissage ^de pièges ^{ou aux} phénomènes

de turbulence du plasma ^{créé au moment de l’ava-} lanche ; ^les expériences ^de Ancker Johnson [5] ^{ont mis}

en évidence ces phénomènes, ^{et notre} étude de la lumière de recombinaison a confirmé l’existence de certaines instabilités.

Les courbes densité de courant-champ électrique, correspondant ^{à un} échantillon pur d’antimoniure d’indium (n

^{5 X 1013} cm-3) ^à différentes tempé-

ratures, ^{sont tracées sur la} figure 8; nous avons pu.

de cette façon, ^définir les seuils d’avalanche et étudier leur variation en fonction de la température, ^{de la}

concentration électronique ^{et de la mobilité à bas} champ électrique, pour InSb et InAs.

L’étude du temps ^de décroissance de l’impulsion

lumineuse (fin. 9) ^nous donne la valeur de la durée de

vie correspondant à la recombinaison radiative des

27

électrons hors de l’équilibre thermodynamique ^dan~,

la bande de conduction.

Les enregistrements photographiques ^du spectre ^de la lumière émise ( fi~. 7) permettent ^{de se rendre} compte que la température électronique ^du gaz d’électrons de la bande de conduction reste faible;

la largeur ^des spectres ^{obtenus est} comparable ^{à celle} correspondant ^{à d’autres types} d’excitation. La

figure ^{10 montre les} spectres obtenus pour deux durées

~’m. 10.

l~IC. Ç).

d’impulsion, ^{toutes choses} égales par ailleurs; ^{dans le} spectre correspondant ^aux excitations longues ^man- quent les radiations de grande énergie. ^Ceci peut

s’expliquer ^en supposant que le plasma ^{est uniforme}

en cas d’excitations courtes, ^alors qu’il ^{est confiné}

dans des régions intérieures à l’échantillon _{pour des}

excitations plus longues. ^Cette expérience ^{met donc}

28

en évidence les phénomènes de turbulence intervenant dans les plasmas, ^le temps ^de pincement ^du plasma

semble de l’ordre de 100 ns.

Les résultats de ces expériences pourront ^être confrontés à la théorie développée ^{dans la référence} [2].

La détermination de la valeur exacte de la tempé-

rature électronique ^à partir ^{de la} largeur ^du spectre d’émission est délicate, ^de même que l’étude du pin-

cement du plasma. Nous pouvons cependant, ^d’ores

et déjà, ^{constater un bon accord entre} les seuils d’ava- lanche expérimentaux ^{et ceux} prévus par le ^mo- dèle [2] ^et pensons déduire, par ^ce moyen, ^une éva- luation de la section efficace d’ionisation moyenne d’un atome.

Manuscrit reçu ^{le 6} décembre 1966.

BIBLIOGRAPHIE

[1] ^BRAY (R.), Bull. Amer. Phys. Soc., 1955, 30, 35.

[2] ^GRANGER (R.), Phys. ^Stat. Sol., 1966, 16, ^559.

[3] MARÉCHAL (Y.), J. Phys. ^Chem. Solids, 1964, 25, 401.

[4] ^GRANGER (R.), Journal ^de Physique, 1965, 26, 213 A.

[5] ANCKER-JOHNSON (B.), I2. Proc. Intern. Conf. Phys.

Semi conductors, Kyoto, septembre 1966 ; J. ^Phys.

Soc. Japan, 1966, Sup. 21, 694.